“五合一”原位治理技术在水泥混凝土高速公路养护中的实践

“五合一”原位治理技术在水泥混凝土高速公路养护中的实践
 
邓敬森  高鸿儒
(广东灌浆岛路桥新技术发展有限公司  广东阳江 529500)
 
摘要 本文介绍了由化学灌浆为重要组成的“五合一”原位处理技术在高速公路养护中的实践,阐述了该技术在高速公路养护中所发挥的重要作用,认为该技术是人本安全、绿色环保、快捷高效的,值得大力推广。
关键词:“五合一”原位治理技术   水泥混凝土高速公路   DCG工法    板底脱空灌浆    绿色环保 
 
 
由于车辆严重超载、路基不均匀沉降、施工质量缺陷等原因,混凝土高速公路在通车一段时间后,某些部位出现不同程度的路基变形、路面凹陷、脱空、错台、崩边、坑洞、断板等病害,最终致使砼面板破碎,严重影响公路的正常使用。处理破碎砼面板一般采用“换板法”,即是将旧砼面板切割、破碎、挖出,然后重新浇铺面板。“换板法”工作量大,费用高,施工期和养护期长,设备庞大,对行车干扰严重;产生的大量混凝土废渣,占用宝贵的土地资源,造成环境污染;破除碎板的挖坑施工,会对相邻面板和基土造成破坏,过程中还会引发严重交通事故。由于这种方法对基土病害未作处理,因此新铺的面板使用数月以后,又会再次出现板底脱空、错台、断板甚至破碎板等病害,于是对烂板重复挖补。如此反复养护施工,不但导致人力、物力的严重浪费,还对行车的安全与舒适造成恶劣影响。面对这些问题,迫切希望有一种施工快捷、质量可靠、价格合理、对行车干扰小的施工技术来替代传统的“换板”方法。
 
1、“五合一”原位治理技术
1.1技术介绍
“五合一”原位治理技术是混凝土高速公路原位养护新技术,在实际施工时部分或全部使用如下的工艺、技术: “DCG工法”、“板底脱空灌浆”、“砼裂缝处理”、“边坡锚固”、“树根桩”、“土壤稳定”、“路基土防排水”、 “错立平填补”、“麻面坑洞修补”、 “缩缝防水”等。
一般情况下,“五合一”原位治理有5道施工程序:①加固基土,②抬升调平面板,③充填板底脱空;④对裂缝、坑洞、麻面、崩边、错台等的修补,⑤对缩缝进行嵌缝防水处理。
这种从基土到砼面板各种病害都进行全面处理,治标又治本的“五合一”原位治理技术,很大程度地避免了“换板法”的缺点。
1.2 “五合一”原位治理技术主要材料及性能特点
1.2.1 “DCG工法”所用浆材为“水泥+DCG-979”,其性能指标见表1.1,性能特点如下:
(1)可通过控制浆液凝固时间来调整单孔灌浆半径。该浆材凝固时间的可控性有两大优点:a、可最大限度减少浆液跑失,避免浪费,既能有效地保证工程质量,降低工程费用,又有效避免浆液跑失对农田等环境的影响;b、在加固路基软弱土体的同时,还可准确地进行定量、定位抬升,确保路面平顺。
(2)浆液的固结体本身强度高,终凝抗压强度≥20MPa,满足加固要求;
(3)浆液在干燥土层或水中照样迅速固结;
(4)浆液固结率为100%,固化过程中不析水,无有毒物质逸出;
(5)DCG-979无毒,与水泥浆组成的固结物不溶于水,不易老化变质,不对环境造成不良影响。
表1.1  “水泥+DCG-979”浆材性能指标表
指标名称
凝固时间
抗压强度(24h)
抗压强度(28d)
检测结果
28s
3.5MPa
21.3MPa
1.2.2板底脱空灌浆所用浆材为“水泥+(MX2000+MX2001)复配剂”浆液,性能指标见表1.2,性能特点如下:
(1)         良好的可灌性和渗透性,确保进浆充分,消除脱空,恢复板基密贴;
(2)         具有良好的粘结力,可有效修补砼面板底面缺陷,固结破碎基层,改善砼面板的受力情况;
(3)         固结体早期强度高,24小时抗压强度≥5MPa,大大缩短养护期。
表1.2 “水泥+‘MX2000+MX2001复配剂’浆材”性能指标表
指标名称
浆体流动度
(%)
膨胀率
(%)
初凝时间
(min)
终凝时间
(min)
抗压强度(MPa)
24h
28d
检测结果
242
0.022
136
215
6.3
50.2
行业标准
 
≥0.02
≥120
 
5
 
1.2.3土壤改性技术所用浆材为“化灌型土壤稳固剂”,性能特点如下:
(1)    浆液可有效渗透到土体中,固结软弱土体乃至“烂泥”;
(2)    浆液具有使土体改亲水性为憎水性的神奇效果,防止翻浆唧泥;
(3)           固结后在土体中生成立体网状结构的“仓格”,变“自由水”为“约束水”,即使含水量较高的土体也能保持稳定,解决了路基排水不良而破坏路堤的难题,见图1.1。
图1.1  灌浆后土体开挖检验照片
1.2.4凹陷、错台、坑洞、崩边等填补所用材料为“错立平”和“坑洞灵”及辅助材料,性能指标见表1.4,表1.5,性能特点如下:
(1)       固化速度快,常温下4小时后可通车,减小施工对行车的影响;
(2)       对施工环境要求不严,可在潮湿界面上施工;
(3)       与混凝土粘结强度高,工后不会脱落;
(4)       抗压强度高,1天达到40MPa以上;
(5)       材料具有一定韧性,在高低温交变中不会开裂;
(6)       防滑性好;
(7)       耐候性好,耐磨性优良,使用寿命长。
表1.4  “错立平”性能指标表
指标名称
粘结强度(3d,MPa)
抗压强度(3d,MPa)
抗折强度(3d,MPa)
固化时间min
耐磨性
摩擦系数BPN
检测结果
4.8
53.1MPa
5.6
60
2.1
80
表1.5  “坑洞灵”性能指标表
指标名称
粘结强度(3d,MPa)
抗压强度(3d,MPa)
抗折强度(3d,MPa)
固化时间min
耐磨性
摩擦系数BPN
检测结果
3.6
50.1MPa
5.8
40
2.0
78
1.2.5裂缝处理所用材料为“裂缝灌浆粘补复合树脂”及辅助材料,“裂缝灌浆粘补复合树脂”性能指标见表1.6,性能特点如下:
(1)     粘结强度高。与混凝土的粘结强度达到3.0MPa以上;
(2)     耐水性、防水性和密封性好。材料固结后无收缩,可有效防止雨水进入路基。
(3)     耐候性好,使用寿命长。
 
表1.6   “EX55裂缝处理材料”性能指标表
指标名称
检测结果
行业标准
断裂伸长率(%)
65
≥50
粘结强度(MPa)
4.8
≥4
拉伸强度(MPa)
7.6
≥4
1.2.5缩缝防水处理所用材料为“聚氨酯嵌缝胶”及辅助材料,“聚氨酯嵌缝胶”性能指标见表1.7,性能特点如下:
(1)     与混凝土的粘结强度高,可达2.0MPa;
(2)     韧性好,断裂伸长率大于200%,处理后不开裂,达到良好的防水效果;
(3)     耐候性、耐水性好,使用周期长;
表1.7  “聚氨酯嵌缝胶”性能指标表
指标名称
检测结果
行业标准
拉伸量(mm)
20
≥15
失粘(固化)时间(h)
4.3
3~16
流动度(mm)
0
0
弹性(复原率,%)
105
≥90
(-10度)拉伸量(mm)
18
≥15
与混凝土粘结强度(MPa)
0.5
≥0.4
粘结延伸率(%)
420
≥400
1.3            施工主要机械设备
 “五合一”原位治理施工的主要机械设备为“灌浆岛牌高速公路专用灌浆车”。灌浆车含灌浆系统、制浆系统,供电系统、控制系统、供水供气系统及快速钻孔系统,是集成型高速公路灌浆施工的高效专用设备。
 
2     “五合一”原位治理技术在广西高速公路养护中的工程实例
    2.1在广西钦防高速公路——“标准五合一”的工程实例
2.1.1病害情况
广西钦防高速公路1997年10月建成,至2003年7月,陆续出现各种病害,主要有:①由于受桥台及涵洞等结构物的影响,填土分层碾压和夯实机具不能靠近施工,压实度不够;填挖交界部位土体沉降不均匀,砼路面开裂后,雨水渗入到路基中造成水扰损坏及局部施工质量等原因所造成的路面凹陷,见图2.1;②路基不均匀沉降路基下沉引起路面底基层和基层沉降或防排水不良造成雨水渗入到板底,在动荷载作用下形成高压水流冲刷基层引起唧泥,从而引起板底脱空;③板底脱空后路面结构已被破坏,承受车辆荷载的能力大幅度下降,从而产生错台、裂缝、坑洞和崩边;④个别面板养护不及时,最终形成破碎板;⑤缩缝嵌缝胶开裂或老化。
图2.1    路面凹陷剖面示意图
2.1.2病害处理情况
对于广西钦防高速公路出现的各种病害,采用“五合一”原位治理技术进行了全面维修养护。病害综合治理面积23678㎡。其中用“DCG-979工法”加固、调平处理凹陷跳车47处,面积10285.6㎡,调平前最大沉陷量16cm,调平后为0.6cm;用“板底脱空灌浆技术”处理板底脱空灌浆23678㎡;用裂缝处理技术处理裂缝8357m;用错立平填补技术处理错台4210 m;填补大小坑洞234个,更换缩缝14958m;并对处理范围内的基土采用土壤稳固剂进行改性处理。
该路段主要病害是凹陷跳车。对凹陷跳车病害用“DCG工法”,先加固凹陷部位软弱土体,然后进行灌浆调平处理。
2.1.3处理效果
(1)整个工程共用58天时间,若投入同样的人力物力,用换板法处理约100天,与换板处法相比大大缩短了施工时间。
(2)通过系列检测手段检测,化学灌浆后板底脱空消失,路基抗变形能力和承载能力显著增强。标准灌入度试验,平均锤击数N平均=28,达到了高速公路路基标准灌入N平均≥25的要求。
(3)沉陷的路面基本得到调平复位。检测结果为15米拉线,线与面板的最大间隙为6mm,完全达到工程质量要求。
(4)施工过程中废渣产生量几乎为零,避免了换板施工产生大量废渣污染环境的问题。
(5)施工中只需封闭一个车道,对车辆正常通行的影响降至最小。
 
2.2在广西兴六高速公路——“五合一”用于交通咽喉部位的工程实例
2.2.1病害情况
2004年初,广西兴六高速公路贵港出口的C5匝道578.3㎡的面板出现凹陷、板底脱空、翻浆唧呢、错台、面板破碎板等综合病害。裂缝宽度达1.5cm;部分板块的裂缝多达到4~6条。匝道的路面宽度为6m。
2.2.2病害处理
匝道路面仅为6m,换板的大型机械摆放在路上施工时,会导致繁忙的车辆无法通行。“五合一”原位治理技术施工机械设备规模小,对行车的影响很小,在狭窄的匝道也可顺利实施。该路段病害主要是板底脱空以及由脱空引起的断板和错台。
该路段病害处理施工时,先用“DCG工法”和“土壤稳固剂灌浆技术”加固3m深的基土,提高其承载力,改善其抗变形能力和防排水能力,消除症害的根源,然后实施板底脱空灌浆。下面着重介绍板底脱空灌浆的施工。
板底脱空灌浆所用浆材为“水泥+‘MX2000+MX2001复配剂’”,该浆材的水灰比比较小,一般为0.4~0.45。要求保证浆液的可灌性,使板底的空隙、空洞能充填饱满,还要求浆液固结体能快速凝固,早期强度高,缩短养护时间。“水泥+‘MX2000+MX2001复配剂’”24小时抗压强度达到8MPa以上,工后24小时即可开放交通。
板底灌浆施工是以一块板为单位实施灌浆施工,为保证浆液充填饱满,一般在一块板上布置5个孔,板中央布置1个,四个角距离板边80cm的位置各布置1个。见图2.2。

О               О
 
        О
 
О               О
 

 
 
 

图2.2板底脱空灌浆布孔图
   在板底灌浆施工过程中采取下列保证质量的措施:
(1)用专业灌浆泵顺行车方向进行灌浆施工,先灌一序孔再灌二序孔(板周围四个孔为一序孔,板中央为二序孔),板底灌浆压力一般控制在2~5MPa之间(不同的设备该指标有所不同),严格控制压力,防止因压力过大造成裂缝或断板。灌浆时,可能有少量浆液从缩缝、施工缝或灌浆孔溢出,应采取有效措施封堵,保压,裂缝用干水泥封压,灌浆孔用木塞封压,以免浆液在压力作用下跑失,造成进浆充分的假象。
(2)当有大量浆液溢出或压力超过控制值时,可结束单孔灌浆并对该孔进行封堵保压至浆液凝固,防止浆液反溢,造成充填不饱满。
(3)从灌浆孔进入板底的浆液应在板底呈脉状四处扩散,有可能浆液从一个地方进浆而其他方向没有浆液,这时应停止对此孔灌浆,等这个方向的浆液凝固后再来复灌,使板底达到饱满。
板底灌浆完成后,对裂缝实施灌浆粘补处理,恢复面板的完整,并对已失去防水功能的嵌缝胶实施了更换。
2.2.3处理效果
(1)通过钻芯检测得知,灌浆处理后面板与二灰层,二灰层与底基层,及底基层与路基土体之间的空隙被浆液充填饱满,见图2.3。面板在行车时的振动或搓动消失,错台基本调平,说明灌浆达到了充填脱空、稳定面板的效果。
图2.3 板底灌浆后的芯样照片
(2)注水试验检测,即在灌浆处理过的面板上钻孔,孔径4cm,孔深80cm,往孔内注水,观测60s,水位不下降,证明板底灌浆充填饱满。

(3)通过探地雷达检测图谱可知,灌浆后的检测剖面与灌浆前的检测剖面的反射波特征明显不同。灌浆后在混凝土路面层的底部的雷达反射波组消除了局部多次反射的特征,仅在界面交界处存在一个强反射波脉冲,这是由于浆液的界电常数与混凝土的界电常数有明显的差异所致。无局部的多次反射波特征说明了灌浆后消除了空气层的存在,证明浆液充填密实。水稳层之下的强反射波组已经消失,说明底基层经灌浆后已密实,消除了疏松层,达到了预期的灌浆效果。探地雷达检测图谱见图2.3,图2.4。

图2.4  灌浆施工前板底脱空雷达检测图谱        图2.5  灌浆施工后板底脱空雷达检测图谱
(4)施工结束时,观察车辆驶过面板的情况,面板无振动或搓动,证明面板已恢复稳定。至2006年5月,即两年后观察,路面整体质量良好,而在裂缝超过4条的2个板块又出现开裂、唧呢问题,显示了“五合一”的局限性。
(5)板底脱空灌浆是一种预防性的公路养护技术,能较好的改善和恢复路面结构层的均匀受力,有效减少断板、破碎板的发病率。根据多年的观察发现,脱空而没达到烂板程度的路面,经板底灌浆处理后,可延长使用寿命3年以上。
 
    3、“五合一”原位治理技术的社会效益和经济效益分析
  3.1 社会效益
    “五合一”原位治理技术与换板法比较,其社会效益明显。
3.1.1 “换板法”的不良社会影响
用传统的“换板法”养护高速公路存在如下弊端:
(1)对行车安全影响很大。施工设备庞大,工期长,施工安全标志占用相邻车道,路上挖坑,渣石成堆,施工效率低,对公路行车影响极大,容易造成车毁人亡事故;据某省交通系统统计的数据,2005年高速公路换板220000㎡,因换板造成的交通安全事故就有18起,伤37人,亡6人,平均每换10000㎡的面板,发生0.8起交通安全事故,伤1.7人,亡0.27人。
    
图3.1“五合一”施工现场                       图3.2“换板法”施工现场
(2)对路容路貌的影响。换板后,路面上留下一幅幅“补丁”,致使公路的面貌不雅、社会形象不好,甚至在06年出现“黑补丁吓死人”的案例。
(3)重复换板对行车的影响。换板施工不能治本,新换的面板平均使用寿命(到彻底毁坏)仅为2.7年,因此,换板将永无休止,对行车的影响也永无休止。
(4)对环境的污染。换板产生大量的建筑垃圾,每换3平方米的面板,就产生1m3的混凝土废渣,占用宝贵的土地资源,污染环境。
3.1.2“五合一”原位治理技术对社会的贡献
采用“五合一”原位治理技术可避免或减少“换板法”的弊端:
(1)减小对行车的影响,增大安全系数。“五合一”原位治理技术施工机械规模小,不在路上挖坑,不占用相邻车道,施工效率高,因而对行车的影响很小。历年来,已采用“五合一”原位治理技术养护了15.2万平方米的高速公路路面,未发生一起因施工造成的交通安全事故。
(2)不留“黑补丁”。“五合一”原位治理技术所用表面处理材料与路面颜色相近,工后基本不留痕迹,对公路面貌影响不大。
(3)标本兼治。“五合一”原位治理技术既治理病根——路基软弱和板底脱空问题,又治理裂缝、崩边、坑洞、错台等面板病害。采用“五合一”原位治理技术处理过的路段使用寿命长。据不完全统计,处理后的路面平均使用寿命(到彻底毁坏)为5.5年。随着“五合一”技术的革新,相信该水平会不断提高。
(4)不产生污染环境的废渣。“五合一”原位治理技术破坏原结构,施工基本不产生建筑垃圾,不会对环境造成不良影响。
    3.2 经济效益
3.2.1 通过性价比来看经济效益
换板施工的平均费用为210元/㎡,工后的使用寿命为2.7年,平均每年的维修养护施工费用为60元/m2。加上施工设计、监理及管理等约占施工费用11.5%的其他费用,换板法的养护费用为234元/ m2。“五合一”原位治理技术施工费用为165元/㎡,工后的使用寿命为5.5年,加上施工设计、监理及管理等约占施工费用11.5%的其他费用,换板法的养护费用为184元/ m2。仅从单价看,采用“五合一”原位技术养护高速公路可节约养护费用50元/m2,如果考虑工效寿命,要使板块保持5.5年状态良好,采用换板法则需要477元/m2。由此可知,采用“五合一”原位治理技术养护1m2的路面,就可节省费用293元。
3.2.2 通过延长公路大修周期的情况来看经济效益
“五合一”原位治理技术的预防性养护和治理病根的措施,大大延长了路面的使用寿命,从而可延长路面的大修周期3~5年,并可在大修时免去板底脱空灌浆及病害路基加固等工序,因此,大修时可降低费用约40万元/Km。下面分析延长高速公路大修周期产生的经济效益。
以广西桂柳高速公路为例。大修周期为10年。平均每年的养护费用为8万元/Km。一次的大修费用为380万元/Km,平均每年为38万元/Km。按可延长3年大修周期计算,全线137Km可节省养护费用3288万元,节约大修费用21098万元(含降低的5480万元大修费用),合计达到24386万元。桂柳高速公路10年的养护费用为10960万元,折合采用“五合一”施工了59.56万平方米。因此可知,采用“五合一”原位治理技术养护1m2的路面,就可节省费用410元。
4、结论
综上所述,对“五合一”原位治理技术的总结如下:
(1)       可以替代传统的换板施工方法。但对每板4条(含)裂缝以上的特别严重烂板,采用“五合一”原位治理技术存一定的局限性,不宜采用。
(2)       在混凝土高速公路的预防性和及时性养护方面都能起到非常重要的作用。
(3)       具有明显的绿色环保、人本安全的社会效益以及大幅降低公路养护成本的经济效益。
(4)       是一个学科涉及面广的新技术,还有不断进步、完善提高的空间。相信“五合一”原位治理技术将会成为公路养护技术中的重要工法。
 
 
 
作者简介:
邓敬森(1968~),男,中国水利学会化学灌浆分会副主任委员,广东灌浆岛路桥新技术发展有限公司董事长兼总经理,长期从事化学灌浆企业经营管理以及专业技术的研发工作。
联系电话:13926390068

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